當(dāng)MCU遇上FPGA會(huì)碰撞出怎樣的火花

上海潤(rùn)欣科技股份有限公司創(chuàng)研社

MCU是Microcontroller的縮寫，中文翻譯是微控制器，可以簡(jiǎn)單理解為集成在單一芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它有運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、總線及其他外設(shè)，采用存儲(chǔ)程序執(zhí)行的方式，對(duì)MCU的編程就是對(duì)其中的ROM寫入程序，系統(tǒng)上電后ROM中的程序會(huì)像計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的程序一樣得到逐條地執(zhí)行。MCU相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)芯片，因此，也有地方把MCU稱為單片機(jī)。MCU用途比較廣，幾乎所有電子產(chǎn)品都可以找到MCU的身影。

FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫，中文翻譯為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在硅片上預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路，它能夠按照設(shè)計(jì)人員的需求配置為指定的電路結(jié)構(gòu)，讓客戶不必依賴由芯片制造商設(shè)計(jì)和制造的 ASIC 芯片。廣泛應(yīng)用在ASIC原型驗(yàn)證、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子、工業(yè)控制、航空航天、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。

從以上描述來看，MCU和FPGA兩者之間的差異還是很大的。

1、結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

MCU是一種微處理器，類似于電腦CPU，通常采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，或者馮諾依曼結(jié)構(gòu)，對(duì)單片機(jī)的編程很大程度上要考慮到它的內(nèi)核架構(gòu)（比如ARM內(nèi)核）和各個(gè)寄存器的作用。FPGA的結(jié)構(gòu)是基于查找表（LUT）的結(jié)構(gòu)，LUT本質(zhì)上就是一個(gè)RAM，F(xiàn)PGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個(gè)LUT可以看成一個(gè)有4位地址線的RAM。當(dāng)用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個(gè)邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)EDA軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果，并把真值表（即結(jié)果）事先寫入RAM，這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。FPGA可以看作是純粹的數(shù)字電路，其程序不用考慮芯片的結(jié)構(gòu)，自由度非常大。

2、代碼的執(zhí)行方式上的區(qū)別

MCU無論是哈佛總線結(jié)構(gòu)或者馮諾依曼結(jié)構(gòu)均為取指到執(zhí)行，指令是順序執(zhí)行的（即使是中斷/異常，其發(fā)生后的中斷服務(wù)程序也是順序執(zhí)行的）；而FPGA是基于邏輯門和觸發(fā)器的，它是并行執(zhí)行方式，沒有取指到執(zhí)行這種操作。簡(jiǎn)單來說，就是通過燒寫文件去配置查找表的內(nèi)容，從而在相同的電路情況下實(shí)現(xiàn)了不同的邏輯功能，數(shù)字電路中所有邏輯門和觸發(fā)器均可以實(shí)現(xiàn)，它適合真正意義上的并行任務(wù)處理。FPGA程序在編譯后實(shí)際上是轉(zhuǎn)換為內(nèi)部的連線表，相當(dāng)于FPGA內(nèi)部提供了大量的與非門、或非門、觸發(fā)器等基本數(shù)字邏輯器件，編程決定了有多少器件被使用以及它們之間的連接方式。通過編程，用戶可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重新配置的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。只要FPGA規(guī)模夠大，這些數(shù)字器件理論上能形成一切數(shù)字系統(tǒng)，包括MCU，甚至CPU。因FPGA是純數(shù)字電路，在抗干擾和速度性能上有很大優(yōu)勢(shì)。

既然MCU和FPGA有如此大的差異，那么有沒有一些應(yīng)用需要同時(shí)使用到MCU和FPGA呢?答案是肯定的。比如，有的應(yīng)用同時(shí)需要有靈活的控制和外設(shè)接口（比如USB接口等），同時(shí)需要支持高速并行運(yùn)算，如FFT等，那么就要考慮使用MCU+FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)，F(xiàn)PGA適合并行處理，性能可以比同樣主頻的MCU高出上百倍，一般MCU+FPGA異構(gòu)架構(gòu)都是把密集運(yùn)算交FPGA，而MCU處理邏輯復(fù)雜的業(yè)務(wù)。這種MCU+FPGA系統(tǒng)往往要求開發(fā)人員不僅要熟悉MCU軟硬件開發(fā)，也需要熟悉FPGA的程序設(shè)計(jì)，更為關(guān)鍵的是能夠設(shè)計(jì)MCU與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互模式，常見方式有并行總線方式，實(shí)現(xiàn)MCU與FPGA之間的通信，或者通過MCU對(duì)FPGA在線進(jìn)行配置。典型的MCU+FPGA系統(tǒng)的產(chǎn)品案例，如下圖1：

圖1 MCU+FPGA架構(gòu)的產(chǎn)品案例

針對(duì)上述這樣的產(chǎn)品應(yīng)用中同時(shí)需要使用MCU和FPGA的情形，今天就來詳細(xì)介紹我們的主角，它就是來自國產(chǎn)半導(dǎo)體廠商安路科技“小而美”的MCU+FPGA Soc – ELF2系列。ELF2內(nèi)部包含了FPGA資源，并且內(nèi)嵌了一個(gè)ARM Cortex-M3硬核IP及豐富的外設(shè)資源。

FPGA資源包含LUT4/5混合邏輯架構(gòu)，分布式RAM支持，16路全局時(shí)鐘，最大達(dá)670Kbits BRAM，15個(gè)18*18 DSP，LUT規(guī)模高達(dá)4480。如下圖2：

圖2 ELF2 Soc FPGA基本特性

Cortex-M3 MCU內(nèi)核最高主頻125MHz，4Mbit SPI Flash，48KB片上SRAM，QSPI接口支持內(nèi)置/外置SPI Flash操作，集成Timer，WDT，DMA，UART，SPI，I2C，ADC，RTC等外設(shè)。MCU特性如下：

ELF2M45 Soc資源及其封裝：

安路科技ELF2 Soc系統(tǒng)框圖，如下圖3：

圖3 ELF2 Soc系統(tǒng)框圖

根據(jù)LUT規(guī)模大小和RAM資源大小不同，ELF2系列有不同的型號(hào)，ELF2 Soc選型表如下表1所示：

表1 ELF2 Soc選型表

ELF2的封裝形式也很豐富，一顆芯片可以實(shí)現(xiàn)由MCU和FPGA兩顆芯片實(shí)現(xiàn)的功能，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還節(jié)省了PCB面積。EFL2封裝形式如下表2所示：

表2 ELF2的封裝形式

ELF2 Soc內(nèi)部的MCU與FPGA有4種數(shù)據(jù)交互方式，用戶可以靈活選擇其中任何一種，如下圖4所示：

1、 AHB Slave

2、 共享SRAM(SRAM：32KByte)

3、 高16個(gè)GPIO

4、 16位用戶寄存器(MCU->FPGA)

圖4 ELF2 Soc MCU與FPGA交互方式

ELF2 Soc軟件開發(fā)需要同時(shí)使用到安路科技自主開發(fā)的TD EDA軟件和ARM公司的Keil MDK軟件，安路科技提供大量的Demo演示示例程序供客戶參考和學(xué)習(xí)。ELF2 Soc軟件開發(fā)流程如下圖5所示：

圖5 ELF2 Soc軟件開發(fā)流程

TD EDA軟件和ARM的Keil MDK軟件界面如下圖6所示：

圖6 TD EDA軟件和ARM的Keil MDK軟件界面

為了方便用戶評(píng)估和學(xué)習(xí)，針對(duì)ELF2 Soc系列，安路科技特別推出了專用的開發(fā)板，如下圖7所示：

圖7 ELF2 Soc開發(fā)板

最后，我想談?wù)勱P(guān)于國產(chǎn)FPGA替代的觀點(diǎn)。

全球 FPGA 市場(chǎng)在 5G 和 AI 兩大驅(qū)動(dòng)因子下未來預(yù)計(jì)享有穩(wěn)健增長(zhǎng)，而目前國內(nèi) 100 億人民幣市場(chǎng)中，國產(chǎn)廠商占比僅 4%，國產(chǎn)率極低，市場(chǎng)空間和潛力巨大；疊加中美貿(mào)易戰(zhàn)的因素，終端制造業(yè)特別是各個(gè)行業(yè)的頭部客戶正在尋求國產(chǎn)替代，避免全盤使用美國公司生產(chǎn)的芯片，國產(chǎn)替代進(jìn)程有明顯加速的趨勢(shì)。FPGA行業(yè)技術(shù)門檻較高，產(chǎn)業(yè)比較集中，國產(chǎn)廠商替代增速有望顯著高于行業(yè)平均。國外三大FPGA廠家分別是Xilinx，Intel（收購原Altera）及Lattice，國內(nèi) FPGA 廠商主要有 8 家：安路科技、紫光同創(chuàng)、國微電子、成都華微電子、智多晶、廣州高云半導(dǎo)體、上海復(fù)旦微電子和京微齊力。國產(chǎn)FPGA廠商中，安路科技的FPGA產(chǎn)品有三大系列，分別是高端PHOENIX（鳳凰系列）、中端EAGLE（獵鷹系列）和低端ELF（精靈系列），數(shù)十款芯片。產(chǎn)品在核心架構(gòu)、軟件算法和系統(tǒng)集成等方面擁有多項(xiàng)技術(shù)專利。值得一提的是，在EDA軟件能力方面，國內(nèi)FPGA廠商目前只有兩家具有商用軟件全流程技術(shù)，安路科技就是其中一家，自主開發(fā)的全流程TD軟件系統(tǒng)和硬件芯片完美地結(jié)合在一起，提供了用戶從前端綜合到位流生成的完全開發(fā)平臺(tái)，而其他廠商都需要外購邏輯綜合工具。安路科技FPGA芯片已經(jīng)成功應(yīng)用到通信設(shè)備、工業(yè)控制、消費(fèi)電子的部分領(lǐng)域。安路科技是國產(chǎn)FPGA廠商中綜合實(shí)力最強(qiáng)，最具競(jìng)爭(zhēng)力的品牌之一，有望在國產(chǎn)FPGA替代及新市場(chǎng)開拓中繼續(xù)獲得越來越大的市場(chǎng)份額和高速的業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)。

由此可見，國產(chǎn)替代疊加行業(yè)增長(zhǎng)及中美貿(mào)易戰(zhàn)等因素，國產(chǎn)FPGA廠商將進(jìn)入增長(zhǎng)快車道。潤(rùn)欣科技作為安路科技的合作伙伴，如您有產(chǎn)品應(yīng)用需要用到FPGA，不限于MCU+FPGA異構(gòu)架構(gòu)的產(chǎn)品，都可以與我們潤(rùn)欣科技取得聯(lián)系，我們將竭誠為您服務(wù)，協(xié)助您加速產(chǎn)品上市時(shí)間，提升產(chǎn)品性價(jià)比。